BAB 9
Bahan komposit : Struktur, Karakteristik Umum, dan Aplikasi
Dengan perlengkapan mereka yang menarik, kekuatan tinggi terutama untuk menimbang dan kekakuan pada bobot perbandingan, plastik diperkuat dan komposisi-komposisi di antara pembangunan-pembangunan yang paling penting di dalam bahan-bahan. Bab ini menguraikan:
· Struktur dari plastik.
· Tipe-tipe dari bahan serat penguat dan matriks anti peran mereka di dalam menyeluruh perlengkapan.
· Struktur dan perlengkapan dari matriks logam dan komposisi-komposisi matriks keramik.
· Pemilihan dan penerapan-penerapan plastik diperkuat dan komposisi-komposisi.
9.1 PENDAHULUAN
Suatu bahan komposit adalah suatu kombinasi dua atau lebih secara kimiawi terpisah; jelas dan fasa-fasa tak mampu larut dengan suatu alat penghubung yang dapat dikenal, sedemikian rupa bahwa itu kekayaan dan penampilan struktural bersifat lebih pandai daripada mereka yang dari akting unsur-unsur dengan bebas. Kombinasi-kombinasi ini dikenal sebagai matriks logam dan komposit-komposit acuan/matriks keramik. Seperti yang ditunjukkan di Table 7.1, bala bantuan serat dengan mantap memperbaiki kekuatan, kekakuan, dan hambatan rayapan dari plastik terutama sekali kekuatan mereka untuk menimbang dan stiffness-to-weight nisbah-nisbah. Bahan komposit sudah menemukan penerapan-penerapan lebih luas yang terus meningkat di dalam pesawat terbang (Gambar. 9.1), ruang kendaraan, struktur-struktur lepas pantai, perpipaan, elektronika, mobil-mobil, perahu-perahu, dan barang-barang olahraga.
Contoh yang paling tua dari komposit-komposit, penanggalan kembali sampai 4000 BC., adalah penambahan jerami kepada lempung di dalam pembuatan gubuk-gubuk lumpur dan tentang bata api untuk penggunaan struktural. Di dalam kombinasi ini, jerami-jerami itu adalah serat penguat dan lempung itu adalah matriks. Contoh lain suatu bahan komposit adalah beton bertulang, yang dikembangkan di dalam tahun 1800. Sebenarnya, beton sendirinya adalah suatu bahan komposit, terdiri dari semen, pasir, dan kerikil. Bagaimanapun, dengan sendirinya, beton adalah getas dan hanya mempunyai sedikit atau tanpa kekuatan rentang bermanfaat; batang-baja mengabarkan yang memperkuat pada komposit.
Komposit, di dalam pengertian paling umum, dapat dimengerti sebagai suatu bahan-bahan variasi yang luas, seperti kerlog-kerlog (Bagian 8.2), dua fasa mencampur logam (Bagian 4.2), bahan-bahan alami seperti kayu dan tulang, dan bahan-bahan yang dikombinasikan atau yang diperkuat umum seperti kawat baja memperkuat ban roda mobil. Bahan-bahan ini juga harus dikenali sebagai bahan komposit, sekali pun mereka tidak ditekankan di dalam bab ini.
GAMBAR 9.1 Penerapan bahan komposit yang dikedepankan di Boeing 757-200 pesawat terbang komersil. Sumber: Kehormatan dari Boeing Commercial Airplane Company.
Bab ini menguraikan struktur dari bahan komposit, tipe-tipe dan ciri-ciri dari serat penguat digunakan, dan penerapan-penerapan utama khas bahan-bahan ini. Pengolahan dan pengetaman bahan komposit digambarkan di Bab 19.
9.2 Struktur dari Plastik diperkuat
Plastik diperkuat, juga yang dikenal sebagai komposit-komposit matriks polimer (PMC) dan plastik diperkuat serat (FRP), terdiri atas serat-serat (yang putus-putus atau fase terdispersi) di suatu matriks polimer (fase sinambung), seperti yang ditunjukkan di Gambar. 9.2. Serat ini bersifat kuat dan kaku (Tabel 9.1), dan mereka mempunyai kekuatan ketinggian spesifik (kekuatan kepada perbandingan-bobot) dan kekakuan spesifik (kekakuan kepada perbandingan-bobot), seperti yang ditunjukkan di Gambar. 9.3. Sebagai tambahan terhadap kekuatan ketinggian spesifik dan kekakuan spesifik, struktur-struktur plastik diperkuat sudah memperbaiki hambatan kelelahan, kekenyalan lebih besar, dan hambatan rayapan yang lebih tinggi dibanding yang terbuat dari plastik yang tidak diperkuat. Struktur-struktur seperti itu secara relatif mudah untuk mendisain, fabrikasi, dan reparasi.
Serat-serat di dalam plastik diperkuat dengan sendirinya hanya mempunyai sedikit nilai struktural; mereka milikilah kekakuan di dalam arah longitudinal mereka hanya tanpa kekakuan garis melintang atau kekuatan. Matriks plastik adalah lebih sedikit yang kuat dan lebih sedikit kaku dibanding serat, tetapi itu adalah lebih tabah dan sering kali lebih secara kimiawi lengai dibanding serat-serat. Plastik diperkuat menguasai keuntungan-keuntungan dari tiap dari unsur-unsur keduanya. Persen dari serat-serat (oleh volume) di dalam plastik diperkuat biasanya mencakup antara 10% dan 60%. Pada kenyataannya, persen dari serat di suatu matriks dibatasi oleh jarak rerata antara serat-serat atau zarah-zarah yang bersebelahan.
GAMBAR 9.2 ilustrasi Schematic metoda-metoda tentang plastik penguatan (matriks) dengan (a) partikel, (b) celana pendek atau serat-serat atau lapisan atas panjang, dan (c) melalui (e) serat-serat berkelanjutan. Melaminasi struktur-struktur yang ditunjukkan di dalam (d) dapat dihasilkan dari lapisan-lapisan dari struktur-struktur serat-serat atau sandwich yang berkelanjutan yang menggunakan suatu teras busa atau sarang lebah (lihat juga Gambar. 16.50)
GAMBAR 9.3 Kekuatan rentang specific (kekuatan rentang kepada nisbah densitas) dan modulus yang dapat diregangkan spesifik (modulus lenting kepada nisbah densitas) karena berbagai serat-serat yang digunakan di dalam plastik diperkuat. Mencatat cakupan luas dari kekuatan-kekuatan dan kekakuan yang spesifik yang tersedia.
Isi serat praktis paling tinggi adalah 65%; persentase-persentase yang lebih tinggi secara umum mengakibatkan kekayaan struktural lebih rendah.
Ketika tipe lebih dari satu dari serat adalah yang digunakan di suatu plastik diperkuat, komposit itu disebut suatu bastar. Bastar-bastar secara umum mempunyai bahkan lebih baik kekayaan, duri kecil mereka lebih mahal. Gelas atau serat karbon memperkuat plastik bastar dikembangkan karena penerapan-penerapan suhu yang tinggi dengan penggunaan yang berkelanjutan yang berkisar sampai ke tentang 300°C. Secara umum, bagaimanapun, serat-serat ini bersifat getas, abrasive, kekurangan kekenyalan, dan dapat menurunkan pangkat secara kimiawi ketika yang diunjukkan ke lingkungan. Juga, seperti dicatat di dalam alas dari Table 9.2, kekayaan dari serat-serat dapat bertukar-tukar dengan mantap, tergantung pada kualitas bahan dan di metoda tentang pengolahan.
9.2.1 Serat penguat
Serat penguat untuk komposit-komposit matriks polimer adalah gelas, graft, aramids, dan boron (Tabel 9.2). Kekayaan mereka berikutnya yang digambarkan.
Serat kaca. Serat kaca menggunakan paling secara luas dan adalah mahalnya paling sedikit dari semua serat. Bahan komposit itu disebut plastik diperkuat serat kaca (GFRP) dan boleh berisi antara 30 dan 60% serat kaca oleh volume. Serat-serat dibuat dengan gambar meleleh gelas melalui kecil dalam membuka suatu pt mati (lihat Bagian 17.10.3). Gelas/kaca yang dilelehkan lalu diperpanjang dengan mesin, didinginkan, dan luka di suatu rol. Suatu salut pelindung atau pengayakan bisa diberlakukan bagi memudahkan gang mereka melalui permesinan. Serat kaca itu diperlakukan dengan silana (suatu zatair-silisium) untuk yang diperbaiki membasahi dan ikatan antara serat dan matriks.
Tipe-tipe yang pokok dari serat kaca adalah:
· E: Tipe: suatu calcium aluminoborosilicate gelas, tipe paling umum dinggunakan.
· S: Tipe: suatu gelas aluminosilikat magnesia, menawarkan kekuatan dan kekakuan yang lebih tinggi tetapi pada biaya yang lebih tinggi.
· E-CR-type: suatu serat kaca penampilan yang tinggi, menawarkan hambatan yang lebih tinggi kepada suhu terelevasi dan korosi asam dibanding mengerjakan gelas E.
Serat grafit. Serat grafit (Gambar. 9.4a), meski serat kaca celah/pengikut lebih mahal, mempunyai suatu kombinasi densitas yang rendah, kekuatan tinggi, dan kekakuan tinggi; hasil itu disebut plastik diperkuat serat karbon (CFRP). Semua serat grafit dibuat oleh pirolisis dari pendahuluan, tanda yang organik, biasanya dari poliakrilonitril (PAN) karena biaya tentangnya rendah. Rayon dan gala-gala (saki dari mercon yang katalitis di dalam pengilangan minyak bumi) juga dapat digunakan sebagai pendahuluan, tanda. Pirolisis adalah proses tentang mempengaruhi perubahan kimiawi oleh panas sebagai contoh, dengan pembakaran suatu panjangnya dari benang dan menyebabkan penting untuk memberi zat karbon dan yang dijadikan hitam di dalam warna. Dengan PAN, serat-serat itu secara parsial melintasi yang terhubung pada suatu suhu yang sedang (untuk mencegah meleleh selama langkah-langkah pengolahan yang berikut) dan diperpanjang secara serempak. Dalam posisi ini, serat-serat itu bersifat carburized; mereka diunjukkan ke suhu terelevasi untuk mengusir hidrogen (dehidrogenasi) dan n (denitrogenation) dari PAN. Suhu-suhu untuk carbonizing mencakup sampai ke tentang 1500°C dan karena ujung graphitizing ke(pada 3000°C.
GAMBAR 9.4 (a) Tampang-lintang suatu raket tenis, mempertunjukkan graft dan aramid (Kevlar) serat penguat. Sumber: Kehormatan dari J.Dvorak, Mercury Marine Corporation dan F Garrett, Wilson Sporting Goods Co. (b) Tampang-lintang serat boron memperkuat bahan komposit.
Perbedaan antara arang dan graft, meski kata-kata sering kali digunakan dengan dapat dipertukarkan, bergantung pada suhu dari pirolisis dan kemurnian bahan. Serat karbon secara umum 80 ke(pada arang 95%; serat grafit biasanya lebih dari (sekedar) arang 99%. Suatu serat karbon yang khas berisi tak berbentuk (tidak dari kristal) arang dan graft (arang dari kristal). Serat-serat ini digolongkan oleh koefisien kaku mereka, yang mencakup dari 35 sampai 800 GPa: rendah, intermediate/antara, ketinggian, dan modulus sangat tinggi. Kuat tack mencakup dari 250 sampai 2600 MPa (Tabel 9.2).
Serat grafit konduktif. Serat-serat ini dihasilkan untuk membuat nya mungkin untuk meningkatkan elektrik dan keterhantaran bahang komponen-komponen plastik diperkuat. Serat-serat ini dilapisi dengan suatu logam (biasanya nikel) menggunakan suatu proses penyepuhan elektrik yang berkelanjutan; salutan itu adalah pada umumnya 05-µm tebal di suatu teras serat grafit 7-µm-diameter. Tersedia di suatu yang yang dicincang atau suatu formulir sinambung, serat-serat yang konduktif disatukan secara langsung ke dalam injeksi membentuk suku cadang plastik. Penerapan-penerapan termasuk electromagnetis dan perlindungan frekwensi radio dan petir membentur perlindungan.
Serat-serat polimer. Serat-serat polimer bisa dibuat dari nilon, rayon, acrylics, dan aramids; yang paling umum adalah serat aramid. Aramids (Bagian 7.6) di antara serat-serat yang paling tabah (Kevlar) dan mempunyai kekuatan-kekuatan spesifik sangat tinggi (Gambar. 9.3). Aramids dapat mengalami beberapa canggaan liat sebelum retak dan, karenanya, mempunyai kekenyalan yang lebih tinggi dibanding serat-serat yang rapuh. Bagaimanapun, aramids menyerap uap lembab (higroskopik), menurunkan pangkat kekayaan mereka dan mempersulit penerapan mereka.
Serat polietilena penampilan tinggi lain adalah Spectra (suatu nama dagang); itu mempunyai satu bobot molekular ultra tinggi dan kiblat rantai molekular tinggi. Spectra mempunyai hambatan ampelas [abrasi] lebih baik dan flexural-fatigue hambatan dibanding serat aramid dan pada suatu biaya yang serupa. Sebagai tambahan, oleh karena densitas nya yang lebih rendah (970 kg/m3), itu mempunyai suatu kekuatan spesifik yang lebih tinggi dan kekakuan spesifik dibanding serat aramid. Bagaimanapun, suatu titik leleh yang rendah dan ciri-ciri pengeleman lemah(miskin dibandingkan dengan polimer yang lain pembatasan-pembatasan yang utama nya kepada penerapan-penerapan. Antar serat-serat yang lebih baru adalah Nextel, suatu nama dagang.
Serat-serat polimer dibuat oleh dua proses: nielt pemutaran dan memintal kering. Pemintalan lebur melibatkan extruding suatu polimer zat cair melalui kecil dalam lubangi suatu mati (spinnerettes). Serat-serat itu kemudian adalah mendinginkan sebelum mahluk mengumpulkan dan luka ke kumparan-kumparan. Serat-serat ini bisa diregangkan untuk lebih lanjut mengorientasi dan strenghten polimer di dalam serat-serat. Di dalam memintal kering, polimer itu dihancurkan di suatu larutan cair untuk membentuk suatu bentuk hablur cair secara parsial mengorientasikan. Seperti polimer lewat melalui spinnerette, itu adalah lebih lanjut diorientasikan, dan dalam posisi ini, serat-serat itu dicuci, mengeringkan, dan luka. Aramids diorientasikan di dalam solusi dan diorientasikan secara penuh ketika mereka lewat, melalui spinnerette dan, oleh karena itu, jangan perlu untuk digambar lebih lanjut.
Serat boron. Serat-serat ini terdiri atas boron disimpan (oleh teknik-teknik pengendapan uap kimia,) ke serat-serat w (Gamabr. 9.4b). Boron juga dapat disimpan ke atas serat karbon. Serat boron mempunyai kekayaan yang diinginkan, seperti kekuatan dan kekakuan yang tinggi, baik dalam tegangan dan di dalam kompresi, dan hambatan kepada suhu-suhu yang tinggi. Bagaimanapun, oleh karena densitas yang tinggi w, mereka bersifat berat dan juga bersifat mahal.
Serat-serat lain. Bermacam serat-serat yang lain yang digunakan di dalam komposit-komposit adalah karbid-silisium, silikon nitrida, aluminium oksida, batu nilam, baja, w, molibdenum, boron karbida, boron nitrida, dan karbida tantalum. Jambang juga digunakan sebagai serat penguat (lihat juga Bagian 22.10). Jambang bersifat hablur tunggal menjarum kecil bahwa bertumbuh dari 1 ke 10µm di dalam diameter dengan nisbah aspek yang tinggi (rasio panjangnya serat kepada diameternya) berkisar antara 100 sampai 15,000. Oleh karena ukuran mereka yang kecil, jambang yang manapun bebas dari ketidak sempurnaan atau cacat/ketidak sempurnaan yang dikandungnya tidak dengan mantap mempengaruhi kekuatan mereka, pendekatan yang yang teoritis kekuatan bahan (efek ukuran). Moduli yang elastik dari jambang mencakup antara 400 dan 700 GPa, dan kuat tack mereka menyerupai adalah kepada 20 GPa.
9.2.2 ukuran Fiber dan panjangnya
Serat-serat adalah sangat kaku dan kuat di dalam tegangan. Alasan adalah bahwa/karena molekul-molekul di dalam serat-serat itu diorientasikan di dalam arah yang longitudinal, dan tampang-lintang mereka sangat kecil (biasanya kurang dari 0.01 mm di dalam diameter), bahwa kemungkinan adalah rendah karena setiap cacat-cacat untuk ada di dalam serat. Serat kaca, sebagai contoh, dapat mempunyai kuat tack setinggi 4600 MPa, sedangkan kekuatan gelas/kaca dalam partai besar bentuk (Bagian 8.4) adalah banyak menurunkan.
Serat-serat secara umum digolongkan sebagai celana pendek (putus-putus) atau panjang (berkelanjutan) serat-serat. Tujuan-tujuan "celana pendek" dan "panjang" serat adalah, di dalam. umum, yang didasarkan pada pembedaan yang berikut: Di suatu tipe yang diberi dari serat, jika sifat mekanis memperbaiki sebagai hasil meningkatkan panjangnya serat rerata, lalu itu disebut suatu serat yang pendek. Jika tanpa perbaikan seperti itu di dalam kekayaan terjadi, itu disebut suatu serat yang panjang(lama. Serat-serat pendek pada umumnya mempunyai nisbah aspek antara 20 dan 60, selagi serat-serat yang panjang mempunyai antara 200 dan 500.
Menguatkan unsur-unsur juga bisa dalam wujud serat-serat yang dicincang, zarah-zarah, atau lapisan atas atau dalam wujud penjelajahan yang berkelanjutan (lembar tali terpelekok dari sedikit serat-serat), pabrik tenun (serupa dengan kain), benang (lembar tali yang terbelit), dan dekat dari berbagai kombinasi-kombinasi. Berbagai benang-benang bastar juga ada tersedia.
9.2.3 bahan-bahan Matrix
Matriks di dalam plastik diperkuat mempunyai tiga fungsi pokok:
1. Dukung serat-serat pada tempatnya dan memindahkan menekankan kepada mereka selagi mereka membawa kebanyakan dari beban.
2. Lindungi serat-serat terhadap kerusakan secara fisik dan lingkungan.
3. Kurangi pembiakan retak-retak di dalam komposisi berdasarkan atas semakin besar keuletan dan kekenyalan dari acuan/matriks plastik.
Bahan-bahan matriks biasanya termoplastik atau thermosets dan biasanya terdiri atas epoxy, poliester, phenolic, fluorokarbon, polyethersulfone, atau silikon. Paling umum digunakan adalah epoxies (80% dari semua plastik diperkuat) dan poliester-poliester (lebih murah dibanding epoxies). Poliimida-poliimida, pengunjukan lapisan pelindung yang kepada suhu-suhu lebih dari 300°C, berlanjut untuk dikembangkan karena gunakan sebagai suatu matriks dengan serat grafit. Beberapa termoplastik, seperti polyetheretherketone (PENGINTIPAN) adalah juga digunakan sebagai bahan-bahan acuan/matriks; mereka secara umum mempunyai kekenyalan yang lebih tinggi dibanding thermosets, tetapi hambatan mereka kepada suhu adalah lebih rendah, mahluk membatasi pada 100° sampai 200°C.
9.3 Perlengkapan dari Plastik diperkuat
Mekanika dan sifat-sifat fisik dari plastik diperkuat bergantung pada tipe, bentuk, dan kiblat bahan penguatan, panjang serat-serat, dan pecahan volume (persentase) dari bahan penguatan. Serat-serat pendek bersifat lebih sedikit yang efektip dibanding serat-serat yang panjang (Gambar. 9.5), dan kekayaan mereka betul-betul dipengaruhi oleh suhu dan waktu yang berbeban. Serat-serat panjang memancarkan beban melalui matriks lebih baik, seperti itu mereka biasanya digunakan di dalam penerapan-penerapan genting, terutama sekali pada suhu terelevasi. Sifat-sifat fisik dari plastik diperkuat dan hambatan mereka untuk melelahkan, rayapan, dan pengausan sangat bergantung pada tipe dan jumlah dari penguatan. Komposit-komposit dapat dikhususkan untuk mengabarkan kekayaan spesifik (seperti ketelapan dan kemantapan dimensi), untuk pengolahan buatan lebih mudah, dan untuk mengurangi biaya produksi.
GAMBAR 9.5 Pengaruh dari tipe dari serat di berbagai kekayaan dari serat memperkuat nilon (6,6). Sumber: Kehormatan dari NASA.
Suatu faktor yang genting di dalam plastik diperkuat adalah kekuatan ikatan antara serat dan matriks polimer, karena beban itu dipancarkan melalui alat penghubung acuan/matriks serat. Mengikat yang antar muka lemah menyebabkan penarikan serat dan delaminasi struktur, terutama sekali di bawah kondisi-kondisi lingkungan yang kurang baik. Pengeleman di alat penghubung dapat diperbaiki oleh perlakuan permukaan khusus, seperti salutan-salutan dan agen penggandeng. Serat kaca, sebagai contoh, diperlakukan dengan silana (suatu zatair-silisium) untuk yang diperbaiki membasahi dan ikatan antara serat satu,: matriks. Pentingnya ikatan yang tepat dapat dihargai dengan memeriksa permukaan-permukaan retak dari plastik diperkuat, yang ditunjukkan di Gambar. 9.6a dan b. Catatan, sebagai contoh, separasi antara serat-serat dan matriks; sungguh-sungguh. pengeleman lebih baik antara mereka memperbaiki menyeluruh kekuatan komposit.
GAMBAR 9.6 (a) Permukaan retak dari suatu serat kaca memperkuat epoxy komposit. Serat-serat itu adalah 10 mm di dalam diameter dan mempunyai kiblat acak. (b) Permukaan retak dari suatu serat grafit memperkuat epoxy komposit. Serat-serat, 9 µm kepada 11 gm di dalam diameter, di dalam bundel-bundel dan semuanya adalah yang dibariskan ke arah yang sama. Sumber: Kehormatan dari L. J.Brourman.
Secara umum, kekakuan dan kekuatan yang paling tinggi di dalam plastik diperkuat diperoleh ketika serat-serat itu dibariskan di dalam arah gaya tegangan. Komposit itu kemudian adalah sangat anisotrop (Gambar. 9.7). Sebagai hasilnya, kekayaan lain, seperti kekakuan, hambatan rayapan, yang berkenaan dengan panas dan keterhantaran elektris, dan muai panas, juga bersifat anisotrop. Kekayaan garis melintang dari seperti itu secara searah diperkuat struktur adalah banyak lebih rendah dari kekayaan yang longitudinal. Sebagai contoh, mencatat serat betapa kuat memperkuat pita pengemasan adalah ketika yang ditangkapi tegangan, namun bagaimana dengan mudah itu dapat merobek ketika menangkapi arah lebar.
Karena itu adalah satu bahan yang engineered, suatu part plastik diperkuat dapat diberi satu tatarajah optimal untuk suatu kondisi layanan yang spesifik. Sebagai contoh, jika part itu adalah untuk diperlakukan kepada angkatan di dalam arah yang berbeda (seperti di dalam kapal- kapal yang dindingnya tipis, yang diberi tekanan),
GAMBAR 9.7 Kekuatan rentang dari gelas memperkuat poliester sebagai suatu fungsi isi serat dan arah serat di dalam matriks.
(a) serat-serat itu dapat Salib yang silang di dalam matriks, atau (b) lapisan-lapisan dari serat-serat mengorientasikan di dalam arah yang berbeda dapat dibangun tip ke dalam suatu melaminasi setelah diperbaiki properriesin arah lebih dari satu. (Lihat kumparan filamen, Bagian 18.12.2.) Juga, suatu rotor roda-daya komposit sudah dihasilkan dengan suatu yang khusus menenun teknik di mana serat penguat (kaca-E) dibariskan 'di dalam arah yang radial seperti juga di dalam arah simpai. Yang dirancang untuk sistem ruang simpan energi mekanik di rendah emissions elektrik dan kendaraan-kendaraan bastar, roda-daya itu dapat operasikan pada mempercepat kepada 50,000 rpm.
9.3.1 Strength dan koefisien kaku dari plastik diperkuat
Kekuatan dan koefisien kaku dari suatu plastik diperkuat dengan serat-serat yang searah dapat ditentukan dalam kaitan dengan menggunakan istilah kekuatan dan moduli, kedua-duanya dari serat-serat dan tentang matriks, dan dalam kaitan dengan menggunakan istilah pecahan volume serat-serat di dalam komposit. Di dalam persamaan-persamaan yang berikut, c mengacu pada komposit, f kepada serat, dan seribu kepada matriks. Beban yang total, Pc, di komposit itu dibagi bersama oleh serat (Pf) dan matriks (Pm). Jadi; Dengan demikian,
Pc = Pf +Pm
yang dapat ditulis sebagai
σcAc = σfAf + σmAm
di mana Ac, Af, dan Am adalah luas potongan salib komposit, serat, dan acuan/matriks, berturut-turut; dengan begitu, Ac = Af +Am Disewakan kita(kami sekarang menandakan x seperti(ketika pecahan daerah serat-serat di dalam komposit. (Catat bahwa x juga mewakili; menunjukkan pecahan volume, karena serat-serat itu yang berpakaian seragam longitudinal di dalam matriks.) Persamaan (9.2) dapat ditulis sebagai berikut:
σc = xσf + (1 - x)σm
Pecahan beban yang total yang dibawa oleh serat-serat sekarang dapat dihitung. Pertama-tama, catat bahwa di dalam komposit di bawah suatu beban tegangan, tegangan yang didukung oleh serat-serat dan acuan/matriks adalah sama (yang, ec = ef = em). Berikutnya, mengingat dari Section 22, bahwa
e = σ/E = P/AE
Sebagai konsekwensi,
Pf/Pm = AfEfAmEm
Karena relevan jumlah untuk suatu situasi yang spesifik dikenal, dengan menggunakan Eq. (9. 1), pecahan Pf/Pc dapat ditemukan. Lalu, menggunakan hubungan-hubungan yang di depan, koefisien kaku, Ec dari komposit itu dapat dihitung dengan menggantikan o, di Eq. (9.3) dengan E.Jadi; Dengan demikian,
Ec = xEf + (1- x)Em
Sebagai satu contoh, marilah kita berasumsi bahwa suatu plastik diperkuat graphite-epoxy dengan serat-serat longitudinal berisi 20% serat grafit. Koefisien kaku dari serat itu adalah 300 GPa, dan matriks epoxy nya adalah 100 GPa. Marilah kita mengkalkulasi koefisien kaku dari komposit dan pecahan beban yang didukung oleh serat-serat. Data diberi x = 0.2, Gosong karang =300 GPa, dan Em =100 GPa. Menggunakan Eq. (9.5),
Ec = 0.2(300) + (1 - 0.2) 100 = 60 + 80 = 140 GPa.
Pecahan beban Pf/Pm dapat diperoleh dari Eq. (9.4) seperti(ketika:
Pf/Pm = 0.2 (300)/ 0.8 (100) = 0.75
Karena
Pc = Pf+ Pm and Pm = Pf/0.75
Oleh Karena itu,
Pc = Pf + Pf/0.75 = 2.33Pf, or Pf = 0.43P
Jadi; Dengan demikian, serat-serat mendukung 43% dari beban, meskipun mereka menduduki hanya 20% dari luas potongan salib (dan karenanya volume) dari komposit.
9.4 Penerapan Plastik diperkuat
Penerapan rancang-bangun pertama plastik diperkuat adalah di tahun 1907 selama satu tangki tahan asam membuat dari suatu damar fenolik dengan serat-serat asbes. Di dalam tahun 1920, formica, suatu nama dagang, dikembangkan dan digunakan biasanya untuk meja kasir paling pandai. Epoxies pertama digunakan sebagai suatu penyakit bahan acuan/matriks 1930s. Mulai di dalam 1940s, perahu-perahu dibuat dengan kacaserat, dan plastik diperkuat digunakan untuk pesawat terbang, peralatan listrik, dan barang-barang olahraga. Pembangunan-pembangunan utama di dalam komposit-komposit mulai di dalam tahun 1970, menghasilkan bahan-bahan yang kini menyebut mengedepan komposit-komposit. serat Gelas atau arang memperkuat plastik bastar ada tersedia karena penerapan-penerapan suhu yang tinggi, dengan penggunaan yang berkelanjutan yang berkisar sampai ke tentang 300°C.
Plastik diperkuat pada umumnya digunakan di dalam komersil dan pesawat terbang militer, komponen-komponen roket, sudu-sudu helikopter, tubuh-tubuh mobil, pegas daun, as gardan, pipa-pipa, tangga-tangga, bejana tekan, barang-barang olahraga, topi baja, badan kapal perahu, dan berbagai struktur-struktur dan komponen-komponen yang lain. Penerapan-penerapan termasuk komponen-komponen di dalam DC-10, L-1011, dan Boeing 727, 757, 767, dan 777 pesawat terbang komersil. Boeing 777 dibuat dari tentang komposit-komposit 9% oleh berat total; bahwa proporsi melipat tigakan isi komposit dari Boeing yang sebelumnya mengangkut pesawat terbang. Cahaya lantai dan panel-panel dan kebanyakan dari ekor horisontal dan cacak dibuat dari bahan komposit.
Berdasarkan atas uang tabungan berat/beban yang hasilnya, plastik diperkuat sudah mengurangi penggunaan bahan bakar oleh tentang 2%. jet orang bagur Airbus yang dirancang baru-baru saja A380, dengan suatu daya muat dari 550 sampai 700 penumpang dan untuk dalam jabatan dalam 2006, akan memiliki bahan pengaman horisontal, kemudi guling, kotak-kotak sayap dan memimpin tepi-tepi, braket-braket kerja pemasangan sekunder dari badan pesawat terbang, dan struktur geladak membuat dari komposit-komposit dengan serat karbon, thermosetting damar-damar, dan termoplastik. Badan pesawat terbang yang bagian atas akan dibuat dari lapisan-lapisan yang bertukar-tukar dari serat aluminium dan gelas memperkuat epoxy prepregs.
Struktur dari Lear Fan 2100 pesawat terbang penumpang adalah hampir secara total diode dari plastik diperkuat graphite-epoxy. Hampir 90% dari struktur dari petinju kelas ringan Voyager pesawat terbang, yang melingkari bumi tanpa penambahan bensin, dibuat dari plastik diperkuat arang. Bingkai yang contoured dari bomber Stealth dibuat dari komposit-komposit terdiri dari arang dan serat kaca, acuan/matriks damar epoksi, poliimida-poliimida suhu tinggi, dan bahan-bahan yang dikedepankan lain. Serat boron memperkuat komposit-komposit digunakan di dalam pesawat terbang militer, golf memukul dengan pentungan batang-batang, raket-raket tenis, belakang dan depan mencari ikan, dan sailboards (Gambar. 9.8). Suatu contoh yang terakhir adalah pembangunan dari suatu yang kecil, semua kapal komposit (desain perahu dengan dua lambung badan kapal kembar) untuk US. Angkatan laut mampu kelajuan-kelajuan dari 50 mata kayu (93 km/h).
GAMBAR 9.8 Tampang-lintang suatu komposit sailboard, satu contoh dari konstruksi bahan-bahan yang dikedepankan. Sumber: K.Easterling, Besok's Bahan-bahan (ed kedua.), p.133. Institut dari Metals, 1990.
Pengolahan plastik diperkuat dapat menyajikan tantangan-tantangan penting. Sebagai hasilnya, beberapa teknik-teknik yang inovatif telah dikembangkan karena memproduksi kedua-duanya besar dan suku cadang kecil, terutama sekali dengan pembuatan cetakan, pembentukan, pemotongan, dan perakitan. Inspeksi saksama dan uji coba plastik diperkuat adalah penting di dalam penerapan-penerapan genting, untuk memastikan bahwa ikatan baik antara serat penguat dan matriks sudah diperoleh sepanjang keseluruhan struktur. Dalam beberapa peristiwa, bagaimanapun, ongkos inspeksi bisa merupakan suatu ketinggian ketika seperempat dari total biaya dari hasil komposit.
CONTOH 9.1 tangga Fiberglass
Bahan yang tradisional untuk tangga-tangga mempunyai kayu atau aluminium. Sebagian oleh karena berat bebannya, suatu tangga kayu memberi pemakai suatu rasa aman. Bagaimanapun, kayu dapat mempunyai cacat-cacat yang internal dan eksternal itu, jika yang tanpa diketahui, dapat mengurangi dengan mantap .kekuatan tangga dan, oleh karena itu, keselamatan kompromi. Ketika yang kering, kayu tidak melakukan keelektrikan; ketika basah, bagaimanapun, itu maka. Jadi; Dengan demikian, suatu tangga kayu yang basah mestinya tidak berhubungan pemasangan kawat elektrik. Tangga-tangga aluminium adalah petinju kelas ringan, dan mereka dapat dirancang untuk kekuatan dan kekakuan yang tinggi (kendati koefisien kaku secara relatif rendah). Meski mereka melakukan keelektrikan, mereka bersifat kekal lebih panjang dibanding tangga-tangga kayu, dan mereka memerlukan pemeliharaan kecil.
Bahan komposit digunakan secara luas di dalam membuat tangga-tangga untuk berbagai penggunaan-penggunaan. Kacaserat adalah serat penguat yang paling umum, dengan epoxies dan poliester-poliester ketika bahan acuan/matriks. Tangga-tangga ini mempunyai keuntungan-keuntungan serupa dengan aluminium, dan karena mereka tidak melakukan keelektrikan, mereka lebih disukai oleh tukang listrik. tangga-tangga Fiberglass-reinforced puas suatu yang kasar, memberi pemakai suatu rasa aman, dan dapat buatan berbagai warna-warna.
Tangga-tangga fiberglass dapat menyerap uap lembab suatu alami pelapukan permukaan ketika yang diunjukkan ke lingkungan-lingkungan di luar, terutama di dalam hangat dan iklim-iklim lembab dan di dalam cahaya matahari (Bagian 7.3). Ada hilangnya warna dan permukaan halus/kilap, dan permukaan menjadi penyesah oleh karena keunggulan serat karena erosi bahan matriks dan untuk serat mekar (pengunjukan dari serat-serat). Tangga-tangga ini dapat dilapisi dengan poliuretan untuk perlindungan permukaan. Pemeliharaan yang tepat dan inspeksi periodik tangga-tangga fiberglass bersifat penting.
CONTOH 9.2 Topi baja militer Composite dan senjata tubuh
Peralatan pelindung personil dalam wujud senjata tubuh dan topi baja komposit sudah menjadi tersebar luas karena penerapan-penerapan militer dan polisi. Senjata tubuh bergantung pada kekuatan tinggi menenun serat-serat untuk mencegah tembusan proyektil-proyektil. Untuk gap memenuhi kebutuhan mengisi lowongan peluru, suatu bahan komposit pertama harus mengubah bentuk atau meratakan nya; proses ini terjadi ketika tip peluru itu berhubungan dengan banyak serat-serat yang individu dari komposit sebagai yang mungkin tanpa serat-serat itu yang sedang ditepikan. Momentum berhubungan dengan proyektil-proyektil dirasakan, tentu saja, oleh pemakai senjata, desain-desain sukses tetapi akan berisi peluru-peluru dan pecahan peluru meriam dan mencegah luka-luka fatal dan serius.
Ada dua tipe utama dari senjata tubuh: senjata lembut, yang mempercayai banyak lapisan dari serat-serat kekuatan yang ditenun, tinggi dan dirancang sebagian besar untuk mengalahkan handguns; dan senjata keras, yang gunakan suatu logam, keramik, atau polimer menyepuh sebagai tambahan terhadap serat yang ditenun dan diharapkan untuk menyediakan perlindungan melawan terhadap senapan membulatkan dan pecahan peluru meriam. Suatu yang menurut bagan dari senjata tubuh ditunjukkan di dalam Gambar 9.9.
GAMBAR 9.9 (a) Ilustrasi yang menurut bagan senjata tubuh yang mempertunjukkan lapisan-lapisan dari serat-serat yang ditenun; (b) Tumpulkan dan pengurungan dari suatu peluru handgun oleh senjata tubuh.
Sejumlah jala-jala serat telah digunakan di dalam senjata tubuh applicationst Different para penyalur menggunakan kombinasi-kombinasi yang berbeda jala-jala serat dan boleh termasuk lapisan-lapisan tambahan untuk menyediakan perlindungan lagi; kembali menumpulkan trauma. Menurut sejarah, serat yang pertama menggunakan untuk senjata tubuh yang luwes adalah Kevlar 29 (satu aramid), yang sudah diperbaiki melalui suatu nomor versi-versi. Bentuk-bentuk lain termasuk Kevlar 49, Kevlar 129, dan Kevlar Protera suatu bentuk kuat tack siapa dan kemampuan tenaga sangat menarik telah diperbaiki melalui pembangunan dari yang dikedepankan memutar proses-proses untuk menghasilkan serat-serat. Serat aramid digunakan sangat biasanya di dalam senjata tubuh yang luwes. Honeywell juga menghasilkan satu senjata tubuh aramid berbasis serat, tetapi desain-desain lain, seperti serat aramid TWARON Akzo Noble, penggunaan lebih dari seribu dengan sempurna memutar filamen-filamen bahwa saling berhubungan satu sama lain untuk memudar energi penumbuk.
Spectra serat digunakan untuk membuat komposit Spectra Shield untuk digunakan dalam senjata tubuh. Suatu lapisan dari komposit Spectra Shield terdiri dari dua lapisan yang searah dari serat Spectra yang diatur untuk melintasi satu sama lain pada 0 dan 90 derajat tingkat memancing dan yang disimpan di tempat oleh suatu damar yang luwes. Keduanya lapisan-lapisan serat dan damar tersegel antara dua helai yang tipis/encer dari film polietilena, yang sebangun di dalam penampilan pada pembungkus makanan plastik.
Senjata keras menggunakan sejumlah desain-desain, tetapi pada umumnya terdiri dari suatu baja, keramik (biasanya aluminium oksida dan silika), atau polietilena menyepuh secara strategis ditempatkan untuk mencegah tembusan zarah-zarah balistik ke bidang kritis. Disain sekarang ini mahluk mengevaluasi menggunakan cairan-cairan dengan nanoparticles yang dipenjarakan dari silika. Pada daftar biaya pengiriman barang-barang regangan yang rendah, cairan-cairan ini adalah inviscid dan alir siap. Pada khasnya daftar biaya pengiriman barang-barang regangan yang tinggi dari zarah-zarah balistik, cairan-cairan ini adalah sangat resisten kepada deformasi dan dapat menyediakan perlindungan tambahan. Cairan itu dimasukkan oleh anyaman serat yang ditenun (itu bertindak seperti suatu pemilikan spons/bunga-karang cairan pada tempatnya) dan dimasukkan oleh pabrik yang luar.
Sebagai tambahan, suatu topi baja militer komposit sudah dikembangkan yang, meski menimbang sekitar sama halnya suatu topi baja baja manggan yang konvensional, tutup-tutup lebih banyak kepala dan penawaran-penawaran dua kali lebih perlindungan balistik dan pemecahan menjadi kepingan. Suatu topi baja komposit mempunyai suatu konstruksi serat nonwoven yang dibuat dengan serat-serat Spectra di suatu acuan/matriks polimer thermosetting, yang secara efektif berhenti peluru dengan itu perataan karena membentur lapisan dasar dari bahan.
Sumber. Kehormatan dari Pinnacle Armor, AlliedSignal Corp., dan CGS Galles SA.
9.5 Komposit Matriks Logam
Keuntungan-keuntungan dari suatu matriks logam di atas suatu acuan/matriks polimer bersifat koefisien kaku yang lebih tinggi, kekenyalan, keuletan, dan hambatan yang lebih tinggi kepada suhu terelevasi. Pembatasan-pembatasan itu bersifat densitas yang lebih tinggi dan suatu kesukaran yang lebih besar di dalam memproses suku cadang. Bahan-bahan acuan/matriks di dalam komposit-komposit matriks logam (MMC) biasanya aluminium, litium aluminium alto rendah (korek api dibanding aluminium), mg, tembaga, titanium, dan superalloys (Gambar. 9.10). Bahan-bahan serat adalah graft, aluminium oksida, karbid-silisium, boron, molibdenum, dan w. Koefisien kaku dari serat-serat yang tidak metalik mencakup antara 200 dan 400 GPa dengan kuat tack sedang berada dalam daerah dari 2000 sampai 3000 MPa.
Komposisi khas dan penerapan-penerapan untuk komposit-komposit matriks logam disampaikan dalam Table 9.3. Oleh karena kekakuan ketinggian spesifik mereka, berat/beban ringan, dan keterhantaran bahang tinggi, serat boron dalam satu matriks aluminium telah digunakan untuk penumpu-penumpu berbentuk pipa struktural di dalam orbiter ruang bolak balik. Penerapan-penerapan lain di dalam batang sepeda dan barang-barang olahraga.
GAMBAR 9.10 Contoh dari suku cadang komposit matriks logam. Sumber: Kehormatan dari Matriks Logam Melempar Komposisi-komposisi, LLC.
CONTOH 9.3 komposisi matriks Aluminum mengerem kaliper-kaliper
Salah satu dari trend di dalam mobil mendisain dan manufaktur adalah dorongan yang ditingkatkan ke arah berat/beban korek api mendisain untuk realisasi memperbaiki ekonomi penampilan dan bahan bakar. Ini dapat dilihat pada pembangunan dari komposisi matriks logam mengerem kaliper-kaliper. Kaliper-kaliper rem tradisional dibuat dari besi cor dan dapat menimbang di sekitar 3 kg masing-masing di suatu gerbong yang kecil, dan ujung kepada 14 kg di suatu truk. Kaliper besi-tuang bisa dirancang kembali dengan sepenuhnya menggunakan aluminium untuk mencapai uang tabungan berat/beban, tetapi ini akan memerlukan suatu volume yang lebih besar, dan ruang(angkasa yang tersedia antara kemudi dan rotor adalah sangat dibatasi.
Suatu kaliper rem yang baru dirancang dengan satu paduan aluminium yang di tempat itu diperkuat dengan sisipan-sisipan komposit yang berbeton menggunakan serat keramik berkelanjutan. Ini adalah suatu serat alumina nanocrystalline, dengan suatu diameter dari 10 sampai 12 µm, dan pecahan volume serat 65%. kekayaan Serat dan bahan diringkas di Table 9.4. Analisis elemen hingga menetapkan penempatan dan jumlah dari penguatan, mendorong ke arah suatu desain bahwa melewati persyaratan-persyaratan desain minimum dan bahwa bertemu defleksi-defleksi kaliper-kaliper besi cor di suatu pengemasan membatasi lingkungan. Kaliper rem yang baru ditunjukkan di Gambar. 9.11. Itu menghasilkan suatu uang tabungan berat/beban 50% dan membawa manfaat-manfaat yang ditambahkan dari hambatan recyclabilas dan korosi yang gampang.
GAMBAR 9.11 komposit acuan/matriks Aluminum mengerem kaliper menggunakan nanocrystallyne penguatan serat alumina. Sumber: Kehormatan dari 3M Speciality Materials Division.
9.6 Komposisi-komposisi Matriks Keramik
Komposisi-komposisi matriks keramik (CMC) bersifat penting oleh karena hambatan mereka kepada suhu-suhu yang tinggi dan lingkungan-lingkungan korosif. Sebagaimana digambarkan dalam Section 83, keramik bersifat kaku dan kuat, mereka membalas suhu-suhu tinggi, hanya mereka secara umum kekurangan kekenyalan.
Bahan-bahan acuan/matriks bahwa mempertahankan kekuatan mereka sampai ke 1700°C adalah karbid-silisium, silikon nitrida, aluminium oksida, dan mulit (suatu gabung dari aluminium, silikon, dan O2). Carbon/carbon-matrix komposit-komposit mempertahankan banyak dari kekuatan mereka (sampai ke 2500°C), meski mereka kekurangan hambatan oksidasi pada suhu-suhu yang tinggi. Bahan-bahan serat biasanya arang dan aluminium oksida. Penerapan-penerapan CIVIC termasuk jet dan komponen-komponen enjin automotif, peralatan pekerjaan tambang cekung, bejana tekan, komponen-komponen struktural, pahat potong, dan cetakan untuk ,ekstruksi dan gambar logam.
9.7 Komposisi yang Lain
Komposisi-komposisi juga boleh terdiri atas salutan-salutan berbagai tipe-tipe di logam-logam tak murni atau lapisan dasar (Bab 34). Contoh adalah
· Galvanisasi aluminium atau logam di atas plastik lain, secara umum untuk tujuan-tujuan yang menghias
· Enamel-enamel
· Seperti kaca (seperti gelas/kaca) salutan-salutan di permukaan-permukaan logam untuk berbagai tujuan-tujuan berhubungan dengan perhiasan atau fungsional
Komposisi-komposisi juga diubah pahat potong dan cetakan, seperti karbida tersemen dan kerlog-kerlog. Komposit-komposit lain adalah roda gerinda yang dibuat dari aluminium oksida, karbid-silisium, berlian, atau cubic-boron-nitride zarah-zarah abrasive menjaga kesatuan dengan berbagai yang organik, yang anorganik, atau pengikat-pengikat metalik (Bab 26). Suatu komposit dari zarah-zarah granit dalam satu matriks epoxy mempunyai kekuatan tinggi, kapasitas redam vibrasi baik (lebih baik daripada besi cor kelabu), dan ciri-ciri tentang geseran baik. Itu digunakan di dalam tempat tidur perkakas mesin untuk beberapa alat gerus kesaksamaan.
RINGKASAN
· Komposisi-komposisi adalah satu kelas yang penting dari bahan-bahan yang engineering dengan banyak kekayaan yang menarik. Tiga kategori yang utama adalah plastik diperkuat serat, komposit-komposit matriks logam, dan komposit-komposit matriks keramik. Mereka mempunyai suatu cakupan luas penerapan-penerapan di dalam pesawat terbang, atmosphere, dan industri transportasi; barang-barang olahraga; dan komponen-komponen struktural.
· Di dalam plastik diperkuat serat, serat-serat biasanya adalah gelas, graft, aramids, atau boron. Poliester dan epoxies biasanya digunakan sebagai bahan acuan/matriks. Komposisi-komposisi ini mempunyai kekenyalan tinggi terutama sekali dan kekuatan tinggi untuk menimbang dan kekakuan kepada perbandingan-bobot.
· Di dalam komposisi-komposisi matriks logam, serat-serat biasanya adalah graft, boron, aluminium oksida, karbid-silisium, molibdenum, atau w. Bahan-bahan matriks secara umum terdiri atas aluminium, campuran logam litium aluminium, mg, tembaga, titanium, dan superalloys.
· Karena komposisi-komposisi matriks yang keramik, serat-serat itu biasanya arang dan aluminium oksida, dan bahan-bahan matriks itu adalah karbid-silisium, silikon nitrida, aluminium oksida, arang, atau mulit (suatu gabung dari aluminium, silikon, dan O2).
· Sebagai tambahan terhadap tipe dan kualitas bahan-bahan digunakan, penyakit faktor-faktor penting struktur dari bahan komposit adalah ukuran dan panjangnya dari serat-serat, persentase volume mereka bandingkan dengan acuan/matriks nya, kekuatan ikatan di alat penghubung matriks serat, dan kiblat serat-serat di dalam matriks.
